evolução das redes industriais · tempo real, é importante utilizar redes com protocolos de...

FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

Evolução das Redes Industriais Redes Industriais Semestre 01/2015

Engenharia de Controle e Automação


Introdução

§ A comunicac ão de dados em ambiente industrial apresenta, caracteri sticas e necessidades que tornam a maioria das redes para automac ão de escrito rio inadequadas.

§ Algumas destas caracteri sticas sa o: § ambiente hostil para operac ão dos equipamentos (perturbac ões

eletromagne ticas, elevadas temperaturas, sujeira, etc.); § a troca de informac ões se da , na maioria das vezes, entre

equipamentos e na o entre um operador humano e o equipamento; § os tempos de resposta e a seguranca dos dados sa o cri ticos em

diversas situac ões; § uma grande quantidade de equipamentos pode estar conectada na

rede, o que torna a questão de custos muito importante.


Principais Caracteristicas Necessárias

§ COMPORTAMENTO TEMPORAL§ Aplicações Industriais frequentemente requerem sistemas de

controle e supervisa o com caracteri sticas de Tempo Real

§ Um Sistema Tempo-Real é um sistema computacional para o qual érequerida uma reac ão a esti mulos (fi sicos ou lo gicos) oriundos do ambiente dentro de intervalos de tempo impostos pelo pro prio ambiente


Métodos MAC não-Deterministicos

§ Para muitas aplicações fabris, especialmente aquelas com requisitos de tempo real, é importante utilizar redes com protocolos de acesso ao meio que garantam estes requisitos

§ CSMA/CD nem sempre características pois não se sabe se haverão colisões, e nem quantas colisões seguidas podem ocorrer e não se conhece de antemão o tempo (aleatório) de espera em caso de colisão.

§ Já para aplicações de escritório os métodos não determinísticos, como CSMA/CD, são em geral satisfatórios.


Métodos MAC Deterministicos

§ Métodos com comando centralizado § Mestre-Escravos;

§ Métodos com comando distribuído:§ Token-bus§ Token-Ring§ Variantes determini sticas do CSMA


Principais Caracteristicas Necessárias

§ CONFIABILIDADE § Em aplicações industriais onde são transmitidos muitos códigos de comando,

leitura de medidores e comando de atuadores, um erro de um Bit qualquer pode ter consequências desastrosas.

§ A transferência de programas para maquinas de Comando Numérico, por exemplo, exige um sistema altamente confiável, pois são transmitidos códigos de comando cuja mínima alteração pode produzir danos de elevado custo.

§ Para aumentar esta confiabilidade nas mensagens transmitidas, normalmente éusado um teste cíclico de redundância (CRC - Cyclical Redundance Check).


Principais Características Necessárias

§ REQUISITOS DO MEIO AMBIENTE § A presença de perturbações eletromagnéticas, provocadas

principalmente pelos acionamentos de motores elétricos de grande porte ou outras fontes chaveadas (estac ões de solda, conversores estáticos, etc.), não pode ser desprezada na escolha do meio de transmissão de uma rede de comunicação

§ Para a definição do meio físico de transmissão e do protocolo de comunicação, estas características devem ser consideradas.



§ TIPO DE MENSAGENS E VOLUME DE INFORMACÕES § Nos níveis hiera rquicos superiores de são frequentemente trocados

pacotes de va rios KByte, que requerem tempos de transmissa o variando de alguns segundos ate va rios minutos.

§ Nas aplicac ões mais pro ximas ao processo, normalmente sa o enviadas mensagens curtas, tais como: § Comando para ligar ou desligar uma unidade (basta um bit); § Comando para fazer a leitura de um sensor / medidor (bastam 8,

12 ou 16 bits, conforme a resoluc ão do conversor A/D utilizado); § Comando para alterar o estado de um atuador (idem acima); § Comando para verificar o estado de uma chave ou rele (basta

um bit).



§ Estas operações podem ser feitas normalmente com um único quadro de comando acrescido dos respectivos dados, quando existirem.

§ Como consequência, uma taxa de transmissão de dados relativamente baixa a nível da camada física atende as necessidades de comunicação na maioria dos casos (1 Mbps é quase sempre suficiente).

§ Por outro lado, tem-se uma elevada taxa de ocupação do barramento, com um grande número de mensagens sendo trocadas constantemente.

§ Deve-se portanto evitar mensagens grandes, que podem monopolizar o meio de transmissão por um tempo muito longo.


Comparação de necessidades


Evolução das Redes Industriais


Diversidade de Redes Locais


PROJETO IEEE 802 E ISO/IEC 8802

§ O IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) iniciou em 1980 o projeto conhecido pelo nu mero 802, que definiu originalmente uma se rie de normas para as camadas Fi sica e Enlace do modelo de referência OSI.

§ Na proposta do IEEE, a camada de Enlace é subdividida em duas subcamadas: LLC (Logical Link Control) e MAC (Medium Access Control).

§ Estas definic ões foram aceitas pelos demais organismos de padronizac ão. A norma resultante é hoje reconhecida internacionalmente sob a designac ão ISO/IEC 8802.



§ O projeto definiu uma norma com 12 partes, designadas por IEEE 802.1 a IEEE 802.12



§ IEEE 802.1 : definic ão de servicos de gerenciamento de redes e generalidades;

§ IEEE 802.2 : descric ão da sub-camada LLC da camada de Enlace. Aqui a norma prevê três tipos de servicos:

§ LLC tipo 1: a troca de dados se da sem o estabelecimento pre vio de uma conexa o. Não é feito controle de erros nem de fluxo e o receptor das mensagens na o envia um quadro de reconhecimento ao emissor;

§ LLC tipo 2: antes de realizar qualquer troca de dados, as estac ões envolvidas na comunicação devem estabelecer uma conexa o entre si. Neste caso, é feito controle de erros e de fluxo e a entidade receptora envia um quadro de reconhecimento para cada mensagem recebida;

§ LLC tipo 3: a comunicac ão é feita sem o estabelecimento pre vio de uma conexa o, mas é realizado controle de fluxo e de erros e o receptor envia um quadro de reconhecimento ao emissor para cada mensagem recebida.



§ IEEE 802.3 : descric ão da sub-camada MAC e camada Física para redes com topologia em barramento e me todo de acesso ao meio baseado em CSMA/CD;

§ IEEE 802.4 : descric ão da sub-camada MAC e camada Física para as redes com topologia em barramento e me todo de acesso ao meio baseado em "token-passing" (Token-Bus);

§ IEEE 802.5 : descric ão da sub-camada MAC e camada Física para as redes com topologia em anel e me todo de acesso ao meio baseado em "token-passing" (Token- Ring);



§ IEEE 802.6 : descric ão da sub-camada MAC e camada Física para as redes metropolitanas com DQDB (Distributed Queue Dual Bus ou barramento dual com filas distribui das);

§ IEEE 802.7 : conte m recomendac ões do IEEE para LANs usando Broadband. Na versa o da ISO/IEC, define uma subcamada MAC com slotted ring e a camada fi sica correspondente;

§ IEEE 802.9 : IS (Integrated Services) para integrar LANs com RDSI (Rede Digital de Servicos Integrados, ISDN em ingles) e FDDI (Fiber Distributed Data Intarface);



§ IEEE 802.10 : aborda questo es de seguranca na interoperac ão de Redes (atualmente define o padra o SDE, Secure Data Exchange);

§ IEEE 802.11 : padroniza LANs com MAC sem fio (Wireless) e a camada fi sica correspondente (transceivers de ra dio);

§ IEEE 802.12 : me todo de acesso com demanda priorizada (DPA, Demand Priority Access) e camada fi sica correspondente.


Limitações Existentes no Passado

§ As exigencias de comunicac ão entre unidades para a integrac ão flexi vel dos sistemas de automação evidenciaram a necessidade de uma especificac ão de redes locais para aplicac ões industriais diferente daquela adotada em automac ão de escrito rio.

§ Existem diversas redes proprieta rias para ambiente fabril, desenvolvidas por grandes empresas e que normalmente utilizam um protocolo especi fico desenvolvido pelo pro prio fabricante.

§ Estas redes na o permitem a interligac ão de equipamentos de outros fabricantes. Desta forma o usua rio fica na total dependencia de um único fornecedor.


Limitações Existentes no Passado

§ A arquitetura das redes de comunicação industrial deve integrar sistemas heterogêneos de diferentes fabricantes, suportando tanto a operação de chão de fabrica quanto as funções de apoio à produção.

§ A definição de padrões de protocolos de comunicação e a sua adoção por diferentes fabricantes devera permitir a interconexão (interoperabilidade) e ate mesmo a intercambiabilidade das varias unidades de processamento


Projeto MAP

§ A primeira aplicação do modelo OSI para a área de automação industrial foi definido como MAP – Manufacturing Automation Protocol, no inicio da ideia de CIM – Computer Integrated Manufacturing.

§ O projeto MAP ("Manufacturing Automation Protocol") foi uma iniciativa da General Motors, iniciada em 1980, com a finalidade de definir dentro do modelo OSI um ambiente de comunicação voltado para a automação da manufatura.

§ Considerando que, na época, estava previsto que a quantidade de equipamentos programáveis deveria sofrer uma expansão de 400 a 500% num prazo de 5 anos, o problema de comunicação tornou-se, efetivamente, uma prioridade a nível da empresa.


Projeto MAP

§ Um ano mais tarde, em 1981, a GM uniu-se a outras empresas -Digital Equipment Corporation (DEC), Hewlett-Packard (HP) e IBM -definindo a soluc ão do problema baseada na utilizac ão de uma arquitetura de comunicac ão para rede local baseada no modelo a sete camadas do OSI. Uma primeira preocupac ão deste grupo de trabalho foi a selec ão de alguns dos padro es de protocolo definidos para o modelo OSI que pudessem ser adotados na arquitetura MAP.

§ A partir dai o projeto foi ganhando corpo e adeso es por parte de outras empresas, tornando-se uma realidade nos anos 90 e dando origem a outras propostas de arquiteturas de comunicac ão orientadas a outros ni veis das atividades da empresa.


A arquitetura MAP-EPA (Enhanced Performance Architecture)

§ Apesar da excelente qualidade dos serviços oferecidos pela arquitetura MAP, as sete camadas oferecem um overhead que passa a ser indesejável nos níveis mais baixos das atividades de uma empresa.

§ Esta proposta foi baseada na definição de duas pilhas de protocolos, a pilha normal Full-MAP e a pilha MAP-EPA, desprovida das camadas de Rede, Transporte, Sessão e Apresentação. Do ponto de vista das camadas baixas, o protocolo IEEE 802.4 continuava sendo adotado, porém sobre um suporte de transmissão em banda de base (baseband) a 5 Mbit/s.


Projeto MAP / EPA

§ Para aplicações voltadas ao controle da manufatura com tempos críticos foi definida a versão MAP/EPA (Enhanced Performance Architecture) para conseguir tempo de resposta menores.

§ A Versão MAP/EPA apresenta para algumas estações da rede a arquitetura MAP completa (7 camadas) e uma arquitetura simplificada com as camadas 1,2 e 7 do modelo OSI como caminho alternativo para satisfazer os requisitos de tempo.

§ A versão mais simplificada é conhecida como MINI-MAP e implementa somente as camadas 1, 2 e 7 do modelo OSI.


Arquitetura MAP-EPA


Arquitetura Mini-MAP

§ Uma terceira opção relacionada com a norma MAP foi a arquitetura Mini-MAP, baseada igualmente na supressão das camadas 3 a 6 para eliminar o overhead dos protocolos daquelas camadas.

§ A arquitetura Mini-MAP é composta unicamente do segmento simplificado de MAP-EPA, e foi assim definida para evitar o alto custo das pilhas de protocolos paralelas de MAP-EPA (figura 3.3).

§ Esta nova proposta era dedicada aos níveis mais baixos, permitindo a comunicação em aplicações mais simples como, por exemplo, entre sensores inteligentes.

§ O fato de não possuir a camada de Transporte fez introduzir um protocolo de Enlace mais sofisticado que o da proposta MAP, o LLC tipo 3.


Mini-Map Stack


Descrição da Arquitetura MAP

§ Uma vez adotado o modelo OSI como referencia para a arquitetura de comunicação, o problema era selecionar as propostas a serem implementadas a nível de cada camada.

§ Para as camadas 1 e 2, foram selecionados, respectivamente, as normas IEEE 802.4 (barramento com ficha) e IEEE 802.2 (LLC).



§ CAMADA FÍSICA§ Foi escolhido o suporte de comunicac ão em banda larga (broadband). A escolha foi

baseada nas razo es seguintes: § possibilidade de definic ão de va rios canais de comunicac ão sobre um mesmo

suporte de comunicac ão, o que permitiria a coexistencia de va rias redes, minimizando as modificac ões de cabeamento durante a transic ão para MAP;

§ permitiria a troca de outros sinais, como voz e imagem para determinadas aplicac ões, tais como a supervisa o, o circuito fechado de TV, a teleconferencia, etc;

§ broadband é parte da norma IEEE 802.4 e estava sob estudos suportar o padra o IEEE 802.3 (CSMA/CD);

§ a GM ja possui a muitas instalac ões operando em broadband.



§ CAMADA DE ENLACE (MAC)

§ As razões que conduziram à escolha do barramento com ficha foram as seguintes: § inicialmente, era o único protocolo suportado em broadband; § muitos equipamentos programáveis já eram providos com o protocolo de

enlace § suportado por broadband e IEEE 802; § a possibilidade de implementar um esquema de prioridades de mensagens; § em caso de falhas físicas, mensagens de alta prioridade poderiam ser

enviadas num tempo limitado.



§ CAMADA DE ENLACE (LOGIC LINK)

§ A nível da camada de Enlace, embora as funções associadas sejam principalmente a detecção e recuperação de erros, optou-se por um protocolo que não implementasse estes serviços, o LLC tipo 1, deixando estas funções a cargo dos níveis superiores

§ CAMADA DE REDE

§ O serviço de Rede é sem conexão, cada mensagem sendo roteada individualmente através da rede.

§ A norma ISO 8348, adotada ao nível de rede, permite definir um conjunto de regras de endereçamento através da rede. O protocolo de roteamento utilizado aqui foi definido pelo projeto MAP e éatualmente normalizado na ISO sob o número 9542.



§ CAMADA DE TRANSPORTE

§ A nível do Transporte, foi adotada a classe 4 do protocolo de Transporte da ISO (TP4, ISO 8072/73), orientado à conexão, com controle de erros. O serviço de Transporte oferece, então, um canal de comunicação confiável, sem perdas, erros, nem duplicação de mensagens.

§ TP4 assegura ainda as funções de fragmentação e montagem de mensagens, o que permite que as mensagens trocadas a este nível sejam de qualquer dimensão.

§ CAMADA DE SESSÃO

§ A norma ISO 8326/27 foi adotada para a camada de Sessão, assegurando as funções de comunicação full-duplex e de ressincronizacão.



§ CAMADA DE APRESENTAÇÃO

§ Na camada de Apresentação, os problemas de representação de dados foram resolvidos com a adoção da sintaxe abstrata ASN.1, que serve de linguagem comum às diferentes formas de representação dos dados, características de cada equipamento.

§ CAMADA DE APLICAÇÃO

§ MMS, para a troca de mensagens entre equipamentos de produção (que será visto em detalhes mais a frente);

§ FTAM, para o acesso e a transferência de arquivos; § ROS, para a gestão de nomes (diretório); § funções de gerenciamento de rede, para a gestão dos recursos,

medição de desempenho e modificação dos parâmetros da rede.


MMS (Manufacturing Message Services)

§ O MMS foi normalizado na ISO como sendo o conjunto de servicos de comunicac ão oferecido às aplicac ões industriais, particularmente para viabilizar, dentro do ambiente OSI, as interac ões entre equipamentos de produc ão programa veis.

§ MMS é o resultado dos trabalhos realizados no contexto do projeto MAP, para a definic ão de um conjunto de servicos de comunicacão orientados às aplicac ões industriais.

§ O objetivo de MMS é oferecer servicos de comunicac ão que permitam a um sistema aberto (no sentido OSI) acessar os recursos existentes em outros sistemas abertos conectados à rede de comunicac ão.


OBJETOS MMS

§ Os programas escritos pelos programadores de aplicac ão va o acessar (direta ou indiretamente) as primitivas de servico MMS, que va o manipular objetos virtuais representando os recursos reais disponi veis num equipamento de produc ão distante.

§ s usua rios dos servicos MMS sa o os processos de Aplicac ão (APs -Application Processes) executando num equipamento de produc ão ou num computador de supervisa o. A comunicacão entre dois APs atrave s dos servicos MMS é realizada segundo um modelo Cliente-Servidor, onde o usua rio Cliente é aquele que requisita operac ão sobre os recursos disponi veis num equipamento de produc ão distante, este sendo modelizado por um usua rio Servidor.


VMD (Virtual Manufacturing Device)

§ O objeto de base definido em MMS é o Dispositivo Virtual de Produc ão ou VMD (Virtual Manufacturing Device), que representa, no contexto dos servicos MMS, um equipamento real de produc ão. Todo processo de aplicac ão modelizado por um Servidor MMS possui, no mi nimo, um objeto VMD

§ O principal componente do VMD é a Func ão Executiva, responsa vel pela gesta o de acesso aos diferentes recursos do equipamento considerado, tais como memo ria, processadores, portas de E/S, etc.


Conclusão

§ Nesta histíria, o que teve sucesso foi o MMS, que definiu um método de cooperação de vários componentes autônomos, pela definição de objetos e serviços abstratos. O que serviu como um ponto inicial para a definição de outras arquiteturas FieldBuses.

§ A falta de aceitação do MiniMAP, e a incapacidade do padrão original do MAP/MMS em atuar em sistemas de tempo real críticos, foram a razão principal para a IEC lançar o desenvolvimento de um FieldBus baseados no MiniMAP, mas focado para as necessidades dos niveis de campo


Evolução das Redes Industriais

§ Os Velhos Tempos: Níveis de Funcionalidades

§ Enterprise bus: Ethernet

§ Control bus: HSE Fieldbus, ControlNet, and Profibus DP

§ Device bus: DeviceNet, Interbus, Profibus PA and H1 Fieldbus

§ Sensor bus: CAN, Seriplex, LonWorks & ASI

§ Tempos Atuais: Ethernet supports all four bus levels


Ethernet/IPPerguntas?

evolução das redes industriais · tempo real, é importante utilizar redes com protocolos de...

Documents